|
|
Photobioreactor aeration optimization using image analysis
Hruška, Kryštof ; Létal, Tomáš (referee) ; Naď, Martin (advisor)
This diploma thesis summarizes the knowledge about microalgae, their use, cultivation methods and obstacles that prevent their wider use. In the practical part of the work, a device was designed, constructed, and programmed. This device can analyze the bubbles of the tubular photobioreactor and, based on the obtained data, control its aeration. The Python programming language was used to create the program and the OpenCV library was used to analyze the photographs. The bubble detection is based on the edge detection and the subsequent refinement. The data obtained from the analysis are displayed on the device screen and the data are also stored in a csv file. The discussion lists possible improvements and lessons learned during the creation of this device.
|
|
|
Balance of energy, water and nutrients in the aquaponic cycle
Szotkowski, Matěj ; Procházková, Michaela (referee) ; Máša, Vítězslav (advisor)
Předložená diplomová práce byla zpracována s cílem vytvořit přehled poznatků v oblasti akvaponické potravinové produkce. Informace získané během tvorby tohoto přehledu pak měly vést, v kombinaci s daty získanými z funkčního provozu, k vytvoření matematického modelu akvaponického cyklu. Na akvaponické farmě provozované společností Flenexa plus s.r.o., která byla zdrojem potřebných procesních dat, měla být dále zpracována a vyhodnocena bilance energie a vody. Nakonec měla být v průběhu práce posouzena možnost implementace mikrořasového fotobioreaktoru do akvaponického cyklu. Úvod práce představuje motivaci vedoucí k potřebě inovovat dnešní potravinovou produkci. Kriticky jsou zhodnoceny predikce vývoje lidské populace, a to pak hlavně z pohledu dopadu, který by tento růst měl na zemědělskou produkci. Současná situace se na základě získaných poznatků ukazuje jako neudržitelná, primárně pak v oblastech vodohospodářství a energetické spotřeby. Následně je jako možné řešení vedoucí ke zlepšení udržitelnosti potravinové produkce zkoumána akvaponie. Akvaponie je definována a její jednotlivé komponenty jsou představeny z hlediska mechanismu jejich fungování a z pohledu jejich návrhu. Mezi popsané oblasti patří například principy tzv. coupled a decoupled akvaponie a popis možných typů hydroponického komponentu. V této části práce je pozornost věnována také představení cyklů jednotlivých živin v rámci akvaponie. Následující a poslední teoretická část práce je pak věnována mikrořasovému fotobioreaktoru. Jsou zde popsány mechanismy, jak motivující, tak odrazující od zakomponování bioreaktoru do akvaponie. V oblasti výhod se jedná hlavně o jeho roli ve stabilizaci pH a spotřebě toxikého amoniaku. Na druhou stranu jeho ekonomické dopady na profitabilitu akvaponie jsou velmi proměnlivé v závislosti na způsobu implementace. Samotný mikrořasový fotobioreaktor je pak v práci detailněji představen. Jednotlivé procesní ukazatele ovlivňující růst řas jsou rozebrány, a to společně s jednotlivými typy fotobioreaktoru, metodami sklizně a využitími pro vyprodukované mikrořasy. Na základě poznatků schromážděných v této práci pak lze jako nejvhodnější k implementaci do akvaponie doporučit hybridní fotobioreaktory, u kterých je většina osvětlení zajištěna v podobě slunečního svitu. Samotná experimentální část práce pak začíná popisem zkoumaného provozu společnosti Flenexa plus s.r.o. z pohledu aplikovaného akvaponického procesu. Jednotka podrobená měření byla provozně stabilní a využívala implementace hydroponického komponentu typu Deep Water Culture (DWC). Spolu s detailním popisem celého provozu jsou poskytnuty a vyhodnoceny vypracované bilance vody a energií. Pozornost je pak přesunuta k matematickým modelům vypracovaným a ověřeným na základě dat a poznatků shromážděných z provozu společnosti Felenexa plus s.r.o. Logika a algoritmy, na kterých jsou oba modely postaveny, jsou v této části vysvětleny a diskutovány společně s hlavními funkcemi a schopnostmi obou modelů. První, primárně statistický model je představen jako nástroj pro použití při uvádění akvaponie do provozu. Druhý, fyzikální model pak v uživatelsky přívětivém formátu představuje základ pro model řízení akvaponické farmy s mikrořasovým fotobioreaktorem. V neposlední řadě jsou nastíněny také cesty možného budoucího vývoje pro oba vytvořené modely. Práce je následně završena shrnutím a diskusí nad poznatky a výstupy získanými během celého tvůrčího procesu.
|
|
|
Influence of deposits on algae growth in a tubular photobioreactor
Vajaýová, Veronika ; Lošák, Pavel (referee) ; Naď, Martin (advisor)
The content of the theoretical part of this bachelor thesis is a description of the tubular pho-tobioreactors, comparison of the individual types of the cultivation devices, the fundamental parameters influencing the efficiency of biomass production, and problems of formation of deposits on the inner surface of the photobioreactor. The attention is focused on the effect of sediment formation on the growth of microalgae in the tubular photobioreactor. Since the sediments affect the resulting light intensity in the suspension in the tubes, this phenomenon is reflected in the overall cultivation efficiency and the biomass yield. The practical part presents the course of measurements performed in the vertical tubular photobioreactor designed for flue gas cleaning using the microalgae Chlorella pyrenoidos Chick (IPPAS C2). The aim was to solve the problem of foaming, which subsequently caused deposits in the system's tubes or other parts. To this end, two measures were tested: • the mechanical one in the form of a wire mesh, • the chemical one using sunflower oil. The measured values were the basis for determining the effect of deposits on light intensity and also served to evaluate the functionality of the tested measures.
|
|
|
CO2 reduction with algae
Naider, Jakub ; Rebej, Miroslav (referee) ; Vondál, Jiří (advisor)
The aim of this final thesis is the process of algae cultivation their use for carbon dioxid reduction. The main objective of this work is the mass and heat balance of the photobioreactor and the design of a temperature control system. Within the research work, an overview of certain types of bioreactors and photobioreactors, the current situation around the climate and the impact of the cultivation of algae on carbon dioxide emissions. The model for temperature control and mass transfer of a plate photobioreactor is created in this work.
|
|
|
Controlled production of lipids and lipidic substances by selected yeasts and microalgae
Szotkowski, Martin ; Kráčmar, Stanislav (referee) ; Huelva, Ines Garbayo Nores, University (referee) ; Márová, Ivana (advisor)
Karotenoidy jsou přírodní pigmenty vyskytující se v mikroorganismech jako jsou řasy, kvasinky a sinice. Představují nejrozšířenější skupinu antioxidantů s významným biologickým účinkem. V současnosti vzrůstá zájem o karotenoidy vzhledem k jejich příznivým vlivům na lidské zdraví. Chlorofyly jsou zelená fotosyntetická barviva, která nacházejí uplatnění v potravinářství jako intenzivní zelená barviva. Koenzym Q je znám svým pozitivním vlivem pro správnou funkci řady orgánů v lidském těle. Ergosterol je nedílnou součástí membrán kvasinek a hub. Je to provitamin D2, který je důležitou součástí imunitního systému. Mikrobiální lipidy, nebo také ‚‚Single cell oils‘‘ jsou charakteristické vysokým obsahem zdraví prospěšných nenasycených mastných kyselin, které lze využít ve farmacii či kosmetice. Mikrobiální lipidy jsou dále studovány jako alternativa pro výrobu biopaliv. Dizertační práce byla zaměřena na studium a možnosti optimalizace produkce lipidů a lipidických látek vybranými kmeny karotenogenních kvasinek, mikrořas a sinic. V rámci práce byly testované kvasinky rodu Rhodotorula, Rhodosporidium, Cystofilobasidium a Sporidiobolus podrobené kultivacím na sérií médií s různými C/N poměry v rozsahu 13 až 100, obsahujících upravené odpadní substráty z potravinářského průmyslu. Vybrané kmeny byly poté kultivovány v bioreaktorech v médiu obsahujícím kombinaci odpadních substrátů. Kultivace mikrořas rodu Desmodesmus, Scenedesmus, Chlorella, Coccomyxa, Chlamydomonas, Botryococcus se zabývaly optimalizací jednotlivých komponent média a aplikací různých stresů s cílem navýšení produkce studovaných metabolitů. V rámci experimentů s extrémofilní mikrořasou Coccomyxa byly provedeny pilotní velkoobjemové kultivace v otevřených nádržích. V závěrečné části byl provedeny pilotní screeningové a velkoobjemové bioreaktorové experimenty zaměřené na možnosti kokultivace karotenogenních kvasinek a mikrořas. Testované kmeny kvasinek byly s rozdílnou úspěšností schopny utilizovat média obsahující hydrolyzované odpadní substráty. Nejlepším kmenem byl Sporidiobolus pararoseus, který na médiích dosahoval nejvyšších produkcí biomasy i sledovaných metabolitů. Z testovaných odpadních substrátů byla nejlepší kombinace odpadního fritovacího oleje a hydrolyzátu kávové sedliny. Úspěšná optimalizace složení hlavních komponent minerálního média vedla k zvýšené produkci studovaných metabolitů. Největší vliv měl optimální poměr P/N a aplikace oxidačního stresu. Nejlepších výsledků dosáhly mikrořasy rodu Desmodesmus a Scenedesmus. Velkoobjemové kultivace Coccomyxy onubensis potvrdily rezistenci kultury proti kontaminaci vnějšími vlivy a schopnost růstu za vysoké teploty a intenzity světelného záření. Kokultivační experimenty potvrdily schopnost symbiotického růstu kvasinek a mikrořas. Nejlepších výsledků dosahovaly všechny testované kvasinky s mikrořasami rodu Demsodesmus a Scenedesmus a v menší míře i rodu Coccomyxa.
|
|
|
Production of pigments and lipid substances by microorganisms on waste substrates of the food industry
Hladká, Dagmar ; Němcová, Andrea (referee) ; Szotkowski, Martin (advisor)
The presented study is focused on production of carotenoids, lipids and other substances by carotenogenic yeasts and autotrophic algae. Studied strains were cultivated in media with different composition, including waste substrates from food industry. Studied strains were cultivated under stress conditions to enhance the production of desired metabolites. The theoretical part deals with the information about yeasts and algae, with the information about monitored metabolites such as lipids, carotenoids, ergosterol, ubichinon or chlorophyll. Furthermore, the theoretical part deals with possible methods of metabolite analysis. The experimental part deals with the description of cultivation of yeats and algae. Also experimental part is focused on the description of individual methods. The result part deals with comparition of production of biomass, metabolits and lipids. The selected strains of yeast were Sporidiobolus pararoseus, Sporidiobolus metaroseus, Sporobolomyces roceus, Phaffia rhodozyma and Dioszegia hungarica. The selected strains of algae were Desmodesmus acutus, Desmodesmus quadricauda, Scenedesmus dimorphus and Chlamydomonas reinhardtii. We were optimized conditions for metabolites and lipids production. Optimal medium, which contained coffee hydrolyzate was with carbon to nitrogen ratio C/N 25. Nitrogen in higher concentration had negative effect on production of lipids. The most suitable strain for effective use of nitrogen in different concentrations was Chlamydomonas reinhardtii. The most suitable strain of yeast for effective use of coffee hydrolyzate was Sporidiobolus metaroseus.
|
|
|
Biological effects of complex extracts from yeast and algae biomass
Bočán, David ; Byrtusová, Dana (referee) ; Skoumalová, Petra (advisor)
This bachelor thesis was focused on optimalization of extractions of active compounds from microalgae and carotenogenic yeasts. Other part of this work was focused on characterization of these extracts and their tests of cytotoxicity on human keratinocytes. In theoretical part a literary research which summarizes the basic properties and cultivation conditions of used microorganisms was conducted. Then there were listed an examples of antioxidant compounds found in these microorganisms as well as their properties. Finally the term cytotoxicity and methods of its measurement were clarified. The practical part of this thesis consists of series of extractions from mentioned microorganisms. These extracts were characterized by the content determination of phenolic and flavonoid compounds and also chlorophyll and carotenoid compounds. Determination of antioxidant capacity and SPF were done too. Lastly the cytotoxicity of chosen extracts was measured using the MTT test.
|
|
|
PRODUCTION OF BETA-GLUCANS AND OTHER POLYSACCHARIDES BY YEAST AND MICROALGAE
Byrtusová, Dana ; Kráčmar, Stanislav (referee) ; Kovalčík, Adriána (referee) ; Márová, Ivana (advisor)
Beta-glukany jsou polysacharidy složeny z monomerů D-glukózy. V dnešní době se -glukany těší zvýšené pozornosti zejména kvůli imunomodulační aktivitě a využitelnosti ve farmaceutickém a potravinařském průmyslu. Saccharomyces cerevisiae je dodnes jediným kvasinkovým zdrojem požívaným v biotechnologické produkci. Avšak některé kvasinky z oddělení Basidiomycetes, které jsou schopny produkce lipidů a karotenoidů, mohou být využity rovněž jako alternativní zdroj -glukanů. Dizertační práce se zabývá možností a optimalizací produkce -glukanů a dalších mikrobiálních sacharidů u karotenogenních kvasinek a mikrořas. Testovány byli zástupci rodů Rhodotorula, Sporobolomyces, Cystofilobasidium a Dioshegia. Z nekarotenogenních kvasinek byly do screeningu zařazeny kvasinky rodu Metschnikowia, askomycetní kvasinky a z mikrořas zástupci zelených a červených řas. Experimentální část cílí rovněž na možnosti koprodukce dalších metabolitů, jako jsou lipidy, pigmenty a extracelulární polymery. První část experimentu se zabývá vlivem čtyř C/N poměrů (10:1, 40:1, 70:1 a 100:1) na produkci biomasy, -glukanů, karotenoidů a lipidů. Ze všech testovaných kmenů, S. cerevisiae CCY 21-4-102, C. infirmominiatum CCY 17-18-4, P. rhodozyma CCY 77-1-1 a R. kratochvilovae CCY 20-2-26 vykazovaly nejvyšší produkci -glukanů a byly proto vybrány k podrobnější optimalizaci, zejména osmotického stresu, teploty a zdroje dusíku v kultivačním médiu. Dodatečně, kmen R. kratochvilovae CCY 20-2-26 je schopný produkce extracelulárních glykolipidů a S. pararoseus CCY 19-9-6 extracelulárních polysacharidů. Následně bylo stanoveno množství -glukanů u dalších dvanácti kmenů S. cerevisiae a rovněž možnost produkce polysacharidů u mikrořas.
|
|
|
Cultivation of microalgae and carotenogenic yeasts under stress conditions
Sniegoňová, Pavlína ; Skoumalová, Petra (referee) ; Szotkowski, Martin (advisor)
In biotechnological industry we can register greater use of microorganisms like microalgae and carotenogenic yeast for production of selected substances or for valorisation of waste materials. Among metabolites produced by these microorganisms are carotenoids, which are natural pigments with antioxidant and other biological effects. Other significant produced substances are lipids, which represent large range of substances in living organisms. They form cellular membranes and serve as a reservoir of energy. These substances can be used in food, cosmetic and pharmaceutical industry and also in production of biofuels. Theoretical part is focused on description of selected genera of microorganisms, their cultivation and produced metabolites. Stress factors to which they were exposed are also mentioned, as are the analytical methods used for detection of produced metabolites. Next part is dedicated to the comparison of production properties of selected microorganisms depending on used stress factor. Increased production of lipids in yeast is observed in C. macerans and S. metroseus with higher concentrations of FeCl3. While using whey as a source of ccarbon, yeasts show decreased production of carotenoids. Highest production of lipids in algae and cyanobacteria was observed in S. acutus and D. quadricaudea. Production of carotenoids depended on applien stress factor and highest productions was observed in C. sorokiniana, C. reinhardtii, D quadricaudea and Coccomyxa sp.
|
|
|
Influence of stress and nutritional conditions on carotenogenic yeast and microalgal metabolism
Sikorová, Pavlína ; Byrtusová, Dana (referee) ; Szotkowski, Martin (advisor)
This bachelor thesis describes the infuence of biological stress (co-cultivations) on the growth and metabolism of selected carotenogenic yeasts and microalgae. The metabolites of these microorganisms are chlorophyll and carotenoids, which are natural pigments and antioxidants. In theory, co-cultivation is a cultivation where microorganisms mutually support each other in the growth and production of metabolites. This would cause the increased production of previously mentioned chlorophyll and carotenoids. The theoretical part of the work is focused on the description of selected species of yeasts and microalgae and further discusses in more detail, the topics of stress factors depending on the growth and metabolism of microorganisms. The experimental part then deals with different types of cultivation and cocultivation and tries to optimize the production media and find the best symbiotic yeasts and microalgae. Furthemore the issue of different ratios of microorganisms in co-cultivations is also addressed here. The cultivated yeasts strains were Rhodotorula kratochvilovae, Rhodosporidium toruloides and Phaffia rhodozyma. And microalgae strains were Desmodesmus acutus, Desmodesmus quadricauda, Coccomyxa sp., Chlorella sorokiniana, Chlamydomonas reinhardtii and Scenedesmus obliquus. Cultivated cyanobacterium was Synechoccocus nidulans. The most successful co-cultivation experiment was the one with R. kratochvilovae and yeast Desm. quadricauda. This experiment was very succesful in all aspects.
|
guest ::
